JP2006107830A - Film formation device and film formation method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To equalize the thickness of a catalyst layer of an electrode for a fuel cell. <P>SOLUTION: After slurry of an aggregated flock containing catalyst particles is fabricated by a slurry fabrication part 20, compressed air is introduced into the slurry by a pressurized water processing part 30 to dissolve the air to form pressurized water slurry. When it is transferred to a slurry sprayer 35, oversaturated air incapable of being dissolved by the atmospheric pressure is attached to the aggregated flock as air bubbles, and buoyancy by the air bubbles acts on the aggregated flock to delay its sinking speed. Thereby, the aggregated flock is prevented from being precipitated immediately after supplying the slurry on carbon paper 50, whereby the thickness of a catalyst layer formed on the carbon paper 50 is equalized. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は成膜装置および成膜方法に関し、特に燃料電池用電極の触媒層の形成に用いられ、触媒粒子等を含んだスラリーを濾過してカーボンペーパー等の濾材に触媒粒子等の膜を形成する成膜装置および成膜方法に関する。   The present invention relates to a film forming apparatus and a film forming method, and more particularly, is used for forming a catalyst layer of an electrode for a fuel cell, and forms a film such as catalyst particles on a filter medium such as carbon paper by filtering slurry containing catalyst particles. The present invention relates to a film forming apparatus and a film forming method.

一般に、燃料電池セルは、電解質層を燃料極と空気極で挟んだものを電極とし、電極にはガス拡散層およびガス流路を設けた基材が取り付けられる。ガス拡散層およびガス流路付基材には、ガス拡散性のほか電気伝導性や耐食性が求められ、通常、ガス拡散層には多孔質のカーボンペーパーが、また、ガス流路付基材には多孔質カーボンが、それぞれ使用される。   In general, a fuel cell includes an electrode in which an electrolyte layer is sandwiched between a fuel electrode and an air electrode, and a base material provided with a gas diffusion layer and a gas flow path is attached to the electrode. Gas diffusion layers and base materials with gas flow paths are required to have electrical conductivity and corrosion resistance in addition to gas diffusibility. Usually, porous carbon paper is used for gas diffusion layers, and base materials with gas flow paths are also used. Each uses porous carbon.

このような材料を用いた単位セルを、水素と空気が直接接触するのを防止するためのカーボン製のセパレータを挟んで5個〜8個程度重ね、そこに反応熱を一定温度に調整するための冷却板を1個取り付ける。そして、発電電力量に必要なだけのセル数になるように、セパレータで隔てられた単位セル数個と冷却板1個のユニットを繰り返し積層して電池スタックが形成される。   In order to adjust the reaction heat to a certain temperature, unit cells using such a material are stacked with 5 to 8 carbon separators in between to prevent direct contact between hydrogen and air. Attach one cooling plate. Then, a battery stack is formed by repeatedly laminating several unit cells separated by a separator and one unit of cooling plate so that the number of cells required for the amount of generated power is obtained.

燃料電池セルの燃料極および空気極は、例えば、次のようにして形成することができる。まず、白金等の触媒粒子、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)等のフッ素樹脂を含有したスラリーを形成する。これをカーボンペーパーをフィルターにして吸引濾過し、そのカーボンペーパー上にスラリー中に含まれていた触媒粒子等を堆積させる。そして、溶媒や水分を乾燥して除去した後、触媒層に適度な撥水性をもたせかつ触媒層とカーボンペーパーとの結着性を高めるために、フッ素樹脂の溶融温度、PTFEの場合には約330℃程度の温度でプレス等による熱圧着を行う。これにより、触媒層とガス拡散層とが一体化された燃料極あるいは空気極が形成される。   The fuel electrode and the air electrode of the fuel cell can be formed as follows, for example. First, a slurry containing catalyst particles such as platinum and a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) is formed. This is suction filtered using carbon paper as a filter, and catalyst particles and the like contained in the slurry are deposited on the carbon paper. Then, after removing the solvent and moisture by drying, in order to give the catalyst layer appropriate water repellency and increase the binding property between the catalyst layer and the carbon paper, the melting temperature of the fluororesin is about approx. Thermocompression bonding with a press or the like is performed at a temperature of about 330 ° C. Thereby, a fuel electrode or an air electrode in which the catalyst layer and the gas diffusion layer are integrated is formed.

このように触媒層の形成に濾過を用いる方法は従来いくつか提案されており、例えば、アニオン系界面活性剤を用いてスラリー中の触媒粒子とPTFEの分散状態を向上させ、それを吸引濾過することによってカーボンペーパー上に良好な触媒層を形成するようにしたものがある(特許文献1参照)。また、スラリーを吸引濾過して触媒層を形成した後、SiC粒子を含む第2のスラリーを吸引濾過してSiC層を触媒層の上に形成し、加熱乾燥と焼成を経てSiC層を除去することにより、触媒層の加熱乾燥時のクラック発生や熱プレス時の剥がれを抑えるようにしたものもある(特許文献2参照)。   As described above, several methods using filtration for forming a catalyst layer have been proposed. For example, an anionic surfactant is used to improve the dispersion state of catalyst particles and PTFE in a slurry, and suction filtration is performed. In some cases, a good catalyst layer is formed on carbon paper (see Patent Document 1). Further, after the slurry is suction filtered to form a catalyst layer, the second slurry containing SiC particles is suction filtered to form an SiC layer on the catalyst layer, and the SiC layer is removed through heat drying and firing. Thus, there is also one that suppresses the occurrence of cracks during heating and drying of the catalyst layer and peeling during hot pressing (see Patent Document 2).

そのほか、触媒粒子および電解質を含む原料混合物を異なる混合比で調製し、それらを混合したスラリーを加圧濾過することにより、それらの比重差を利用して、電解質が表面側に多く、カーボンペーパー側にいくに従って少なくなるような触媒層を形成する方法も提案されている(特許文献3参照)。
特開2001−57216号公報 特開2002−373664号公報 特開平9−180730号公報
In addition, the raw material mixture containing catalyst particles and electrolyte is prepared at different mixing ratios, and the slurry mixed with them is pressure filtered to utilize the difference in specific gravity, so that the electrolyte is more on the surface side, the carbon paper side There has also been proposed a method of forming a catalyst layer that decreases with time (see Patent Document 3).
JP 2001-57216 A JP 2002-373664 A JP-A-9-180730

しかし、上記のように触媒粒子等を含むスラリーの濾過によって触媒層を形成する場合、スラリーがカーボンペーパー上に供給された時点で、程度に差はあるものの、触媒粒子等は沈降を開始するため、スラリー供給後に触媒粒子等が素早く沈殿してしまうと、濾過後のカーボンペーパー上に不均一な厚みの触媒層が形成され易くなる。   However, when the catalyst layer is formed by filtration of the slurry containing the catalyst particles as described above, the catalyst particles etc. start to settle, although there is a difference when the slurry is supplied onto the carbon paper. If the catalyst particles and the like are quickly precipitated after the slurry is supplied, a catalyst layer having a non-uniform thickness is easily formed on the carbon paper after filtration.

図5は濾過後のカーボンペーパー上に形成される触媒層の一例である。
カーボンペーパー100上への供給後にスラリー中の触媒粒子等が沈降を開始することで、例えば中央部では厚くその周囲では薄くなるといったように、濾過後にはカーボンペーパー100上に不均一な厚みの触媒層101が形成されてしまう場合がある。触媒層101の厚みが不均一になると、電解質層との間に隙間ができてしまったり、ガスの流れが不均一になったりして、発電能力の低下やばらつきを招くおそれがある。
FIG. 5 is an example of a catalyst layer formed on the carbon paper after filtration.
When the catalyst particles in the slurry start to settle after being supplied onto the carbon paper 100, for example, a catalyst having a non-uniform thickness on the carbon paper 100 after filtration, such as being thick at the center and thin at the periphery. The layer 101 may be formed. If the thickness of the catalyst layer 101 is not uniform, a gap may be formed between the catalyst layer 101 and the gas flow may be non-uniform, leading to a decrease in power generation capacity and variations.

このような問題に対し、従来、濾過を数回に分けて行ったり濾過装置側で濾液がスムーズに流れるようにしたりして、触媒層の厚みの不均一化を回避しようとする工夫もなされてはいるものの、燃料電池セルの大型化に伴い、1mサイズの電極を形成することも稀でなくなり、濾過面積が大きくなることで吸引/加圧バランスやカーボンペーパー上におけるスラリー供給量の面内ばらつきが生じやすい。   Conventionally, in order to avoid such a problem, non-uniformity in the thickness of the catalyst layer has been made by performing filtration in several times or allowing the filtrate to flow smoothly on the filtration device side. However, as the size of the fuel cell increases, it is not rare to form an electrode of 1m size, and the suction / pressure balance and in-plane variation of the slurry supply amount on the carbon paper are increased by increasing the filtration area. Is likely to occur.

また、カーボンペーパー上に供給したスラリーを濾過前あるいは濾過中に掻き混ぜることによって、形成される触媒層の厚みの不均一化を回避することも考えられるが、重量等の影響でそもそもスラリー中の触媒粒子等が素早く沈殿してしまうようなものであれば、単に掻き混ぜるのみではその効果もあまり期待できない。   In addition, it is conceivable to avoid unevenness of the thickness of the formed catalyst layer by stirring the slurry supplied on the carbon paper before or during filtration. If the catalyst particles and the like are precipitated quickly, the effect cannot be expected by simply stirring.

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、スラリーを濾過して濾材にスラリー中の粒体の膜を形成する際に、均一性の良い厚みで成膜を行うことのできる成膜装置および成膜方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of these points, and can be formed with a uniform thickness when the slurry is filtered to form a film of particles in the slurry on the filter medium. An object is to provide a film apparatus and a film forming method.

本発明では上記問題を解決するために、スラリーを濾過して濾材に成膜を行う成膜装置において、濾過前の前記スラリーに空気を加圧下で溶解させ、空気を溶解させた前記スラリーを減圧して前記スラリーに含まれる粒体に気泡を付着させ、前記粒体に気泡を付着させた前記スラリーを濾過して前記濾材に前記粒体の膜を形成することを特徴とする成膜装置が提供される。   In the present invention, in order to solve the above problem, in a film forming apparatus for filtering a slurry to form a film on a filter medium, air is dissolved in the slurry before filtration under pressure, and the slurry in which the air is dissolved is decompressed. And forming a film of the particles on the filter medium by filtering the slurry in which bubbles are attached to the particles included in the slurry, and filtering the slurry in which the bubbles are attached to the particles. Provided.

濾過前にスラリーに空気を加圧下で溶解させてこれを減圧すると、スラリー中の粒体には気泡が付着する。これは、加圧下で空気が溶解されていたスラリーが減圧されることで、その減圧環境で過飽和の空気が粒体に気泡として付着するためである。このように気泡が付着した粒体には液中で気泡による浮力がはたらくため、その沈降速度を遅らせることが可能になる。したがって、スラリーを濾過して濾材に成膜を行う際、濾材上にスラリーを供給しても、例えば供給時にスラリーに生じる対流を利用したり強制的に掻き混ぜたりして、供給直後の粒体の不均一な沈殿の発生を抑制することが可能になる。   When air is dissolved in the slurry under pressure before filtration and the pressure is reduced, air bubbles adhere to the particles in the slurry. This is because when the slurry in which air is dissolved under pressure is depressurized, supersaturated air adheres to the granules as bubbles in the depressurized environment. Thus, since the buoyancy by a bubble works in the liquid to the particle | grains to which the bubble adhered, it becomes possible to delay the sedimentation speed. Therefore, when the slurry is filtered to form a film on the filter medium, even if the slurry is supplied onto the filter medium, for example, by using convection generated in the slurry at the time of supply or forcibly stirring, the granules immediately after the supply It is possible to suppress the occurrence of non-uniform precipitation.

また、本発明では、スラリーを濾過して濾材に成膜を行う成膜方法において、濾過前の前記スラリーに空気を加圧下で溶解させ、空気を溶解させた前記スラリーを減圧して前記スラリーに含まれる粒体に気泡を付着させ、前記粒体に気泡を付着させた前記スラリーを濾過して前記濾材に前記粒体の膜を形成することを特徴とする成膜方法が提供される。   Further, in the present invention, in the film forming method for filtering the slurry and forming a film on the filter medium, air is dissolved in the slurry before filtration under pressure, and the slurry in which the air is dissolved is decompressed to form the slurry. There is provided a film forming method characterized in that bubbles are attached to the contained particles and the slurry in which the bubbles are attached to the particles is filtered to form the film of the particles on the filter medium.

このような成膜方法によれば、気泡を利用してスラリー中の粒体の沈降速度を遅らせ、濾材上の不均一な沈殿を抑えることが可能になる。   According to such a film forming method, it is possible to suppress the sedimentation rate of the particles in the slurry by using bubbles, and to suppress non-uniform sedimentation on the filter medium.

本発明では、濾過前のスラリーに空気を加圧下で溶解させ、これを減圧してスラリー中の粒体に気泡を付着させることでその沈降速度を遅らせるようにした。これにより、濾材上へのスラリー供給直後に生じることのある粒体の不均一な沈殿を抑えることが可能になるため、均一性の良い厚みで濾材上に粒体の膜を形成することができる。   In the present invention, air is dissolved in the slurry before filtration under pressure, and the pressure is reduced to allow bubbles to adhere to the particles in the slurry, thereby slowing the sedimentation rate. This makes it possible to suppress non-uniform precipitation of particles that may occur immediately after the slurry is supplied onto the filter medium, so that a film of particles can be formed on the filter medium with a uniform thickness. .

このような成膜装置および成膜方法を燃料電池用電極の触媒層の形成に用いれば、触媒粒子等を含んだスラリーを濾過してカーボンペーパー等の多孔質炭素材に均一性の良い厚みの触媒層を形成することができる。それにより、高性能かつ信頼性の高い燃料電池を実現することが可能になる。   When such a film forming apparatus and film forming method are used for forming a catalyst layer of a fuel cell electrode, a slurry containing catalyst particles and the like is filtered to form a porous carbon material such as carbon paper with a uniform thickness. A catalyst layer can be formed. As a result, a high-performance and highly reliable fuel cell can be realized.

以下、本発明の実施の形態を、燃料電池用電極の触媒層形成に適用した場合を例に、図面を参照して詳細に説明する。
図1は成膜装置の概略図である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, taking as an example a case where the present invention is applied to formation of a catalyst layer of a fuel cell electrode.
FIG. 1 is a schematic view of a film forming apparatus.

この図1に示す成膜装置10は、スラリー調製部20、加圧水処理部30およびスラリー濾過部40から構成される。
スラリー調製部20は、触媒分散槽21,PTFE分散槽22,凝集槽23を有しており、これらの各槽にはそれぞれ、触媒スラリー槽24,PTFE溶液槽25,凝集剤槽26が配管27a,27b,27cで連結されている。また、触媒分散槽21,PTFE分散槽22,凝集槽23の各槽にはそれぞれ、攪拌分散機28a,28b,28cが取り付けられている。
The film forming apparatus 10 shown in FIG. 1 includes a slurry preparation unit 20, a pressurized water treatment unit 30, and a slurry filtration unit 40.
The slurry preparation unit 20 includes a catalyst dispersion tank 21, a PTFE dispersion tank 22, and a flocculation tank 23. Each of these tanks includes a catalyst slurry tank 24, a PTFE solution tank 25, and a flocculant tank 26, respectively. , 27b, 27c. In addition, stirring and dispersing machines 28a, 28b, and 28c are attached to the catalyst dispersion tank 21, the PTFE dispersion tank 22, and the aggregation tank 23, respectively.

触媒分散槽21には、触媒スラリー槽24から、例えば白金ブラックやカーボン担持白金触媒等の触媒粒子と純水、必要に応じアニオン系界面活性剤が添加された混合物のスラリーが配管27aを通じて投入されるようになっていて、触媒分散槽21に投入されたスラリーは、含有される粒体の一定の分散状態が保たれるよう、攪拌分散機28aで攪拌されるようになっている。   From the catalyst slurry tank 24, a slurry of a mixture of catalyst particles such as platinum black and a carbon-supported platinum catalyst, pure water, and if necessary an anionic surfactant is added to the catalyst dispersion tank 21 through a pipe 27a. Thus, the slurry charged into the catalyst dispersion tank 21 is stirred by the stirring and dispersing machine 28a so that the contained particles are kept in a constant dispersion state.

触媒分散槽21とPTFE分散槽22との間は配管27dで連結されており、この配管27dの途中に設けたポンプ29aにより、触媒分散槽21内のスラリーがPTFE分散槽22に移送されるようになっている。PTFE分散槽22には、PTFE溶液槽25から所定量のPTFEの分散液が配管27bを通じて投入されるようになっていて、PTFE分散槽22内では、投入されたPTFE分散液と触媒分散槽21からのスラリーとが攪拌分散機28bで攪拌されるようになっている。   The catalyst dispersion tank 21 and the PTFE dispersion tank 22 are connected by a pipe 27d, and the slurry in the catalyst dispersion tank 21 is transferred to the PTFE dispersion tank 22 by a pump 29a provided in the middle of the pipe 27d. It has become. A predetermined amount of PTFE dispersion is supplied from the PTFE solution tank 25 through the pipe 27 b to the PTFE dispersion tank 22, and in the PTFE dispersion tank 22, the supplied PTFE dispersion and catalyst dispersion tank 21 are provided. The slurry from the above is stirred by the stirring and dispersing machine 28b.

PTFE分散槽22と凝集槽23との間は配管27eで連結されており、この配管27eの途中に設けたポンプ29bにより、PTFE分散槽22内のスラリーが凝集槽23に移送されるようになっている。凝集槽23には、凝集剤槽26から所定量の凝集剤、例えばリン酸等の酸や高分子凝集剤が、配管27cを通じて投入されるようになっていて、凝集槽23では、投入された凝集剤とPTFE分散槽22からのスラリーとが攪拌分散機28cで攪拌されるようになっている。   The PTFE dispersion tank 22 and the coagulation tank 23 are connected by a pipe 27e, and the slurry in the PTFE dispersion tank 22 is transferred to the coagulation tank 23 by a pump 29b provided in the middle of the pipe 27e. ing. A predetermined amount of an aggregating agent, for example, an acid such as phosphoric acid or a polymer aggregating agent is introduced into the aggregating tank 23 through the pipe 27c. The flocculant and the slurry from the PTFE dispersion tank 22 are stirred by the stirring and dispersing machine 28c.

加圧水処理部30は、加圧水槽31を有しており、凝集槽23内で生成された凝集フロックを含んだスラリーは、配管27fとその途中に設けたポンプ29cにより、この加圧水槽31へと移送されるようになっている。   The pressurized water treatment unit 30 has a pressurized water tank 31, and the slurry containing the aggregated floc generated in the aggregation tank 23 is transferred to the pressurized water tank 31 by a pipe 27 f and a pump 29 c provided in the middle thereof. It has come to be.

加圧水槽31には、空気コンプレッサー32が接続されているとともに、内圧制御用の放圧弁33が設けられていて、空気コンプレッサー32からの圧縮空気により加圧水槽31内のスラリーに一定圧力下での加圧水処理が行われるようになっている。加圧水処理後のスラリー(「加圧水スラリー」という。)は、加圧水槽31底部に設けられた加圧水スラリー移送口34からスラリー散布機35に送られるようになっている。   An air compressor 32 is connected to the pressurized water tank 31 and a pressure release valve 33 for controlling the internal pressure is provided. Pressurized water under a certain pressure is applied to the slurry in the pressurized water tank 31 by compressed air from the air compressor 32. Processing is performed. The slurry after the pressurized water treatment (referred to as “pressurized water slurry”) is sent to the slurry spreader 35 from the pressurized water slurry transfer port 34 provided at the bottom of the pressurized water tank 31.

スラリー濾過部40は、吸引濾過装置41と枠42を有しており、触媒層を形成すべき多孔体(濾材)であるカーボンペーパー50は、この吸引濾過装置41と枠42の間にセットされる。加圧水スラリーは、スラリー散布機35により枠42の内側に散布されるようになっている。さらに、このスラリー濾過部40には、枠42内に散布されて溜まっているスラリー43を掻き混ぜるための掻き混ぜ板44が設けられており、この掻き混ぜ板44は枠42内を往復運動できるように構成されている。   The slurry filtration unit 40 includes a suction filtration device 41 and a frame 42, and a carbon paper 50 that is a porous body (filter material) on which a catalyst layer is to be formed is set between the suction filtration device 41 and the frame 42. The The pressurized water slurry is sprayed inside the frame 42 by the slurry sprayer 35. Further, the slurry filtering unit 40 is provided with a stirring plate 44 for stirring the slurry 43 dispersed and accumulated in the frame 42, and the stirring plate 44 can reciprocate in the frame 42. It is configured as follows.

次に、上記構成を有する成膜装置10を用いた触媒層の形成方法について説明する。
図2は触媒層形成フローの一例である。
例えばアニオン系界面活性剤を用いる場合、まずこれを純水に加えて攪拌し、界面活性剤を含む分散媒を調製する。そして、この分散媒と例えばカーボン担持白金触媒等の触媒粒子とを触媒スラリー槽24内に仕込み、これを触媒分散槽21に投入し、攪拌分散機28aにより攪拌する。これにより、分散媒中に触媒粒子を分散させたスラリーを形成する。
Next, a method for forming a catalyst layer using the film forming apparatus 10 having the above configuration will be described.
FIG. 2 is an example of the catalyst layer formation flow.
For example, when an anionic surfactant is used, it is first added to pure water and stirred to prepare a dispersion medium containing the surfactant. Then, the dispersion medium and catalyst particles such as a carbon-supported platinum catalyst are charged into the catalyst slurry tank 24, which is put into the catalyst dispersion tank 21 and stirred by the stirring and dispersing machine 28a. Thereby, a slurry in which the catalyst particles are dispersed in the dispersion medium is formed.

そして、このスラリーをポンプ29aを使ってPTFE分散槽22へと移送した後、PTFE溶液槽25内に仕込んでおいたPTFEの分散液もPTFE分散槽22に投入し、これらを攪拌分散機28bにより攪拌する。これにより、分散媒中に触媒粒子とPTFEを分散させたスラリーを形成する。   Then, after this slurry is transferred to the PTFE dispersion tank 22 using the pump 29a, the PTFE dispersion liquid charged in the PTFE solution tank 25 is also charged into the PTFE dispersion tank 22, and these are stirred by the stirring and dispersing machine 28b. Stir. This forms a slurry in which the catalyst particles and PTFE are dispersed in the dispersion medium.

そして、このスラリーをポンプ29bを使って凝集槽23へと移送した後、凝集剤槽26に仕込んでおいた凝集剤を凝集槽23に投入し、これらを攪拌分散機28cにより攪拌する。凝集剤の添加により、界面活性剤はその効力を失い、触媒粒子とPTFEを分離せずに凝集させたフロック(凝集フロック)を含むスラリーが形成される。触媒粒子等をこのような凝集フロックの形態とすることにより、濾材の目詰まりを抑えて吸引濾過を行い易くする。このスラリーをポンプ29cを使って加圧水槽31へと移送し、加圧水処理を行う。   Then, after the slurry is transferred to the agglomeration tank 23 using the pump 29b, the aggregating agent charged in the aggregating agent tank 26 is charged into the aggregating tank 23, and these are agitated by the agitating and dispersing machine 28c. By adding the flocculant, the surfactant loses its effectiveness, and a slurry is formed containing flocs (aggregated flocs) that are agglomerated without separating the catalyst particles and PTFE. By making the catalyst particles or the like into such a form of agglomerated floc, clogging of the filter medium is suppressed and suction filtration is facilitated. This slurry is transferred to the pressurized water tank 31 using the pump 29c, and a pressurized water process is performed.

加圧水槽31へのスラリーの移送後、加圧水槽31内に空気コンプレッサー32から圧縮空気を導入し加圧下で空気をスラリー内に溶解させ、未溶解の空気は放圧弁33から抜き、加圧水スラリーを形成する。加圧水槽31内は、例えば0.5MPaに制御する。   After the slurry is transferred to the pressurized water tank 31, compressed air is introduced from the air compressor 32 into the pressurized water tank 31 to dissolve the air in the slurry under pressure, and undissolved air is extracted from the pressure release valve 33 to form a pressurized water slurry. To do. The inside of the pressurized water tank 31 is controlled to 0.5 MPa, for example.

その後、この加圧水スラリーは、加圧水スラリー移送口34からスラリー散布機35に送られるが、そのとき大気圧まで減圧されることで、大気圧下では溶存できない過飽和の空気が凝集フロックに細かな気泡として付着するようになる。   Thereafter, the pressurized water slurry is sent from the pressurized water slurry transfer port 34 to the slurry spreader 35. At that time, by depressurizing to atmospheric pressure, supersaturated air that cannot be dissolved under atmospheric pressure becomes fine bubbles in the aggregated floc. It comes to adhere.

ここで、図3は気泡が付着した凝集フロックの模式図である。
この図3に示すように、加圧水スラリーに含まれていた凝集フロック60には、大気圧に戻されたときに、その表面等に多数の気泡61が付着する。これにより、液中の凝集フロック60には、気泡61による浮力がはたらくようになる。
Here, FIG. 3 is a schematic view of an agglomerated floc to which bubbles are attached.
As shown in FIG. 3, the aggregated floc 60 contained in the pressurized water slurry has a large number of bubbles 61 attached to its surface and the like when returned to atmospheric pressure. Thereby, the buoyancy by the bubble 61 comes to act on the aggregation floc 60 in the liquid.

このようなスラリーを、スラリー散布機35から枠42内のカーボンペーパー50の上に散布し、その反対側から吸引濾過装置41によって吸引する。その際、スラリー内の凝集フロックには気泡の浮力がはたらくため、加圧水処理を行わなかった場合に比べて、その沈降速度は遅くなる。そして、ここではこの枠42内のスラリーに対し、掻き混ぜ板44を使って掻き混ぜながら吸引濾過を行い、触媒層を形成する。   Such slurry is spread on the carbon paper 50 in the frame 42 from the slurry spreader 35 and sucked by the suction filtration device 41 from the opposite side. At that time, since the buoyancy of bubbles acts on the aggregated flocs in the slurry, the sedimentation speed thereof becomes slower than the case where the pressurized water treatment is not performed. Here, the slurry in the frame 42 is subjected to suction filtration while being stirred using the stirring plate 44 to form a catalyst layer.

図4は吸引濾過後の触媒層の模式図である。
加圧水処理効果と掻き混ぜ効果により、この図4に示すように、カーボンペーパー50上には触媒層51が均一性良く形成されるようになる。
FIG. 4 is a schematic view of the catalyst layer after suction filtration.
Due to the pressurized water treatment effect and the agitation effect, the catalyst layer 51 is formed on the carbon paper 50 with good uniformity as shown in FIG.

吸引濾過後は、枠42内に純水を注いで触媒層に残る凝集剤等を洗浄し、乾燥、焼成を行う。これにより、触媒層から界面活性剤を除去するとともに、PTFEを溶融させて撥水性を持たせるようにする。   After suction filtration, pure water is poured into the frame 42 to wash the flocculant remaining in the catalyst layer, and drying and firing are performed. Thereby, the surfactant is removed from the catalyst layer, and PTFE is melted to have water repellency.

以上説明したように、吸引濾過によってカーボンペーパー上に触媒層を形成する際、吸引濾過するスラリー内の凝集フロックを加圧水処理してその沈降速度を遅くするようにした。それにより、カーボンペーパー上に散布した時点からの凝集フロックの沈降が遅らせられるようになる。さらに、吸引濾過するスラリーに対し、加圧水処理効果とともに掻き混ぜ効果をはたらかせることにより、凝集フロックの不均一な沈降が抑制され、カーボンペーパー上に均一性の良い厚みの触媒層を形成することができるようになる。   As described above, when the catalyst layer is formed on the carbon paper by suction filtration, the aggregation flocs in the slurry to be suction filtered are treated with pressurized water to reduce the sedimentation speed. As a result, the sedimentation of the aggregated floc from the time when it is spread on the carbon paper is delayed. In addition, the slurry to be suction filtered can be mixed with a pressurized water treatment effect and a stirring effect to suppress non-uniform sedimentation of agglomerated flocs and form a catalyst layer with a uniform thickness on carbon paper. become able to.

なお、上記説明において、純水にアニオン系界面活性剤を加えた分散媒に触媒粒子を混合してスラリーを形成する際には、触媒分散槽21にアニオン系界面活性剤を含む分散媒を仕込んでおき、触媒スラリー槽24からは触媒粒子のみを投下し、これらを触媒分散槽21内で攪拌分散機28aにより攪拌して分散させるようにしてもよい。   In the above description, when the catalyst particles are mixed with a dispersion medium obtained by adding an anionic surfactant to pure water to form a slurry, a dispersion medium containing an anionic surfactant is charged into the catalyst dispersion tank 21. Alternatively, only the catalyst particles may be dropped from the catalyst slurry tank 24, and these may be dispersed by stirring in the catalyst dispersion tank 21 with the stirring and dispersing machine 28a.

また、上記説明において、触媒分散槽21,PTFE分散槽22,凝集槽23では、攪拌分散機28a,28b,28cで各槽内のスラリーを攪拌して分散させるようにしたが、攪拌分散機28a,28b,28cに代えて、あるいは攪拌分散機28a,28b,28cとともに、ホモジナイザー等の超音波分散装置を用い、スラリーを分散させる構成としてもよい。   In the above description, in the catalyst dispersion tank 21, the PTFE dispersion tank 22, and the agglomeration tank 23, the slurry in each tank is stirred and dispersed by the stirring and dispersing machines 28a, 28b, and 28c. , 28b, 28c, or together with the stir dispersers 28a, 28b, 28c, an ultrasonic dispersing device such as a homogenizer may be used to disperse the slurry.

また、ここでは吸引濾過によって触媒層を形成する場合を例にして述べたが、加圧濾過によって触媒層を形成する構成としてもよい。   Although the case where the catalyst layer is formed by suction filtration has been described as an example here, the catalyst layer may be formed by pressure filtration.

本発明は、燃料電池電極用の触媒層形成のほか、スラリーを濾過して濾材にスラリー中の粉粒体を堆積させることによって成膜を行う用途に広く適用可能である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is widely applicable not only to the formation of a catalyst layer for a fuel cell electrode but also to the use of forming a film by filtering the slurry and depositing the granular material in the slurry on the filter medium.

成膜装置の概略図である。It is the schematic of a film-forming apparatus. 触媒層形成フローの一例である。It is an example of a catalyst layer formation flow. 気泡が付着した凝集フロックの模式図である。It is a schematic diagram of the aggregation floc to which the bubble adhered. 吸引濾過後の触媒層の模式図である。It is a schematic diagram of the catalyst layer after suction filtration. 濾過後のカーボンペーパー上に形成される触媒層の一例である。It is an example of the catalyst layer formed on the carbon paper after filtration.

符号の説明Explanation of symbols

10 成膜装置
20 スラリー調製部
21 触媒分散槽
22 PTFE分散槽
23 凝集槽
24 触媒スラリー槽
25 PTFE溶液槽
26 凝集剤槽
27a,27b,27c,27d,27e,27f 配管
28a,28b,28c 攪拌分散機
29a,29b,29c ポンプ
30 加圧水処理部
31 加圧水槽
32 空気コンプレッサー
33 放圧弁
34 加圧水スラリー移送口
35 スラリー散布機
40 スラリー濾過部
41 吸引濾過装置
42 枠
43 スラリー
44 掻き混ぜ板
50 カーボンペーパー
51 触媒層
60 凝集フロック
61 気泡
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Film-forming apparatus 20 Slurry preparation part 21 Catalyst dispersion tank 22 PTFE dispersion tank 23 Coagulation tank 24 Catalyst slurry tank 25 PTFE solution tank 26 Coagulant tank 27a, 27b, 27c, 27d, 27e, 27f Piping 28a, 28b, 28c Stirring dispersion Machine 29a, 29b, 29c Pump 30 Pressurized water treatment unit 31 Pressurized water tank 32 Air compressor 33 Pressure release valve 34 Pressurized water slurry transfer port 35 Slurry spreader 40 Slurry filtration unit 41 Suction filtration device 42 Frame 43 Slurry 44 Stirring plate 50 Carbon paper 51 Catalyst Layer 60 Agglomerated floc 61 Air bubbles

Claims (6)

スラリーを濾過して濾材に成膜を行う成膜装置において、
濾過前の前記スラリーに空気を加圧下で溶解させ、空気を溶解させた前記スラリーを減圧して前記スラリーに含まれる粒体に気泡を付着させ、前記粒体に気泡を付着させた前記スラリーを濾過して前記濾材に前記粒体の膜を形成することを特徴とする成膜装置。
In a film forming apparatus that forms a film on a filter medium by filtering slurry,
The slurry in which air is dissolved in the slurry before filtration under pressure, the slurry in which the air has been dissolved is depressurized, bubbles are attached to the particles included in the slurry, and the bubbles are attached to the particles. A film forming apparatus, wherein the film of the particles is formed on the filter medium by filtration.
前記粒体に気泡が付着されて前記濾材上に供給された前記スラリーを掻き混ぜる手段を備えることを特徴とする請求項1記載の成膜装置。   The film forming apparatus according to claim 1, further comprising means for stirring the slurry supplied to the filter medium with bubbles attached to the granules. 前記濾材は、多孔質炭素材であり、前記スラリーは、燃料電池の電極に用いられる触媒層を構成する触媒粒子を含んでいることを特徴とする請求項1記載の成膜装置。   The film forming apparatus according to claim 1, wherein the filter medium is a porous carbon material, and the slurry includes catalyst particles constituting a catalyst layer used for an electrode of a fuel cell. スラリーを濾過して濾材に成膜を行う成膜方法において、
濾過前の前記スラリーに空気を加圧下で溶解させ、空気を溶解させた前記スラリーを減圧して前記スラリーに含まれる粒体に気泡を付着させ、前記粒体に気泡を付着させた前記スラリーを濾過して前記濾材に前記粒体の膜を形成することを特徴とする成膜方法。
In a film forming method for forming a film on a filter medium by filtering slurry,
The slurry in which air is dissolved in the slurry before filtration under pressure, the slurry in which the air has been dissolved is depressurized, bubbles are attached to the particles included in the slurry, and the bubbles are attached to the particles. A film forming method comprising: filtering to form a film of the particles on the filter medium.
前記粒体に気泡を付着させた前記スラリーを濾過する際には、前記スラリーを前記濾材上に供給した後、前記スラリーを掻き混ぜることを特徴とする請求項4記載の成膜方法。   5. The film forming method according to claim 4, wherein, when the slurry in which bubbles are attached to the granules is filtered, the slurry is stirred after the slurry is supplied onto the filter medium. 前記濾材は、多孔質炭素材であり、前記スラリーは、燃料電池の電極に用いられる触媒層を構成する触媒粒子を含んでいることを特徴とする請求項4記載の成膜方法。
The film forming method according to claim 4, wherein the filter medium is a porous carbon material, and the slurry contains catalyst particles constituting a catalyst layer used for an electrode of a fuel cell.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008016270A (en) * 2006-07-05 2008-01-24 Hitachi Ltd Electrode/polymer electrolyte assembly and fuel cell
JP2010257642A (en) * 2009-04-22 2010-11-11 Fuji Electric Systems Co Ltd Method for manufacturing gas diffusion electrode

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